無線機器對機器接口代表了計算機發(fā)展的第三次浪潮。第一次浪潮是企業(yè)計算機、昂貴的主機以及只有大企業(yè)才有能力購買的超級計算機。這一階段為上世紀的六十和七十年代。第二次計算機浪潮開始于1981 年，當時IBM 推出了個人計算機（PC）。這一時期為上世紀的八十和九十年代。新世紀帶來了第三次計算機浪潮。隨著小型廉價計 算機的發(fā)展，無線技術應運而生。無線移動電話技術的出現領導了這些進步技術。這些技術包括用于手機的無線網絡和增長迅速的無線熱點現象（圖1）。

盡管M2M （機器對機器） 成了當今銷售領域最流行的詞，其前身無線M2M 技術早在十年前就出現了。一個已經不為人們感興趣的術語是“遙測技術”。早期的太空計劃使用無線遙測技術從太空船中向NASA 發(fā)送數據，并將控制信號返回到太空船，無需人為干預。軍用頻率的分配方便了NASA的工作。較高的功率級別確保了可靠的通信。最近，設計人員將空間遙測技術概念應用于車輛中，如F1賽車。車載計算機可以從車輛上將數據發(fā)送到賽道旁的計算機中，后者可自動調節(jié)空氣燃油比和其它參數使賽車達到最佳性能。其它無線網絡應用包括當自動售貨機缺少貨物或需要維護時，用“call home” 手機向管理中心報告情況。該無線數據通信系統(tǒng)包括功能強大的手機、車載娛樂和導航系統(tǒng)?？蓪崟r下載交通路況報告，允許用戶報告緊急情況或請求援助。由于手機從汽車電池接受電源，且天線不需安裝到小型的手機上，使系統(tǒng)連接能力超出了手機連接的能力。

因為M2M 無線網絡代表了幾個新興技術間的融合，如擴頻無線、嵌入式處理器、網絡路由協議，以及很多其它市場大肆宣傳的新技術。這種新技術宣稱利用無線網絡將實現燈開關與冰箱間的通信。這種思路是推動M2M發(fā)展的一種極富想象力的結果。Internet 先驅Tim Berners-Lee 曾經表明：“機器能夠分析所有Web的數據，內容、鏈接、及人與計算機間的事務處理。這番評論的范圍和觀念鞏固了 Berners-Lee的作為天才和卓越的思想家地位。問題是無人知道，什么是無線M2M 網絡殺手級應用？盡管Berners-Lee 和其它人并不擔心這個問題，但在無線連接機器的構想與工程實現此目標之間還有很多未解決的問題。

網絡原指用一個巨大的虛擬畫面，把所有東西連接起來，也可以作為動詞使用。在計算機領域中，網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的。凡將地理位置不同，并具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路而連接起來，且以功能完善的網絡軟件（網絡協議、信息交換方式及網絡操作系統(tǒng)等）實現網絡資源共享的系統(tǒng)，可稱為計算機網絡。

較大片的無線M2M 網絡作為子網存在于Web中，通常沒有路由或IP。要從Web 獲取數據到子網中，需要安裝路由器和網關。所有這些現實情況都有悖于每個無線 M2M網絡節(jié)點價格低于2美元、都能連接到Web的宣傳。憑自身能力而完善的計算機路由器和網關會抵消任何網絡的低成本優(yōu)勢。無線網絡的現狀包括高成本的編寫與標準化高級協議，以使這些設備尋找并連接其它設備。當工程師們達到該目標后，他們認識到這些設備需要安全性，否則任何人都可窺探你的PDA 或手機。任何特別的或自我安排的無線M2M 系統(tǒng)都必須處理好這些問題。這些令人好奇的實驗室新鮮玩意，對于只出于純粹的破壞欲而破壞你的數據的青少年并沒有多大用處。

手機網絡有傳播距離長和部署廣泛的優(yōu)勢。許多現場應用工程師很難找到無線IEEE 802 熱點，但公司給他們Verizon 和AT&T PC 卡后，就可以通過手機系統(tǒng)連接到Web。他們就可以從美國的任何地點檢查并發(fā)送電子郵件。使用手機網絡的M2M 網絡也會有相同的優(yōu)勢。結果，移動和遠程應用，如OnStar 和長途運輸車隊，通過將一個GPS （全球定位系統(tǒng)） 接收機添加到無線模塊上來監(jiān)測車輛位置，采用了基于峰窩的連接。此特性幫助車隊主人分析路線，并有監(jiān)測能力來檢查駕駛人員的行為。同樣，一個橋接結構中可使用傳感器來監(jiān)測應力、流量及降級等。這些傳感器可連接到維護與公路控制計算機系統(tǒng)，當出現地震或事故，如結構損壞時，提供緊急情況警告。這些基于手機的系統(tǒng)成本高、功耗大。無線模塊的成本由于消費者手機的普及而迅速下降。但使用網絡的成本仍然很高，原因是由于電訊公司掠奪性的定價模式：按連接或分鐘收費，而M2M 系統(tǒng)一般只需發(fā)送幾個字節(jié)的數據。

另一種IEEE802類型的M2M網絡，在歐洲以類似ISM 的800MHz頻率工作，在美國以900MHz工作，在全球以2.4GHz工作 （圖2）。另外，專有網絡可在其它頻段工作，如遙控車庫門和遙控車鎖使用的434MHz，進行可靠通信的醫(yī)療頻段等。這類網絡中我們最熟悉的標準為ZigBee。它使用標準化的協議，允許以較小的電池驅動設備進行通信。一些ZigBee支持者宣稱電池采用10 年壽命的技術，但5年或2年的壽命更為實際。這些網絡最大的問題是干擾與電池壽命問題。由于2.4GHz 為未批準頻段，對在同一區(qū)域內可使用多少發(fā)射機并沒有限制（圖3）。還有些ZigBee支持者宣稱幾種802型的網絡可以共存，但網絡的成功也是他們的失敗。如果世界充滿了2.4GHz的發(fā)射機，有效的通信半徑就會縮短到幾英尺，甚至這種技術會嚴重影響到數據傳輸速率。EDN高級技術編輯Brian Dipert在測試無線話筒系統(tǒng)時指出了這種現象（參考文獻2）。使用無線話筒會造成802.11無線Wi-Fi （無線高保真） LAN 停止工作或僅以50% 數據速率實現連接。

盡管擔心干擾問題，某些成功的M2M 應用還是采用了這些ISM 無線協議。Verifone的銷售終端 （POS）使用Connect One的iChip IP-controller 芯片，以便無線LAN可連接到信用卡公司來對購買行為進行授權。好處是加快了交易速度。嵌入式調制解調器需要很多秒的時間才能撥通一個電話號碼、建立通信、建立加密，并實現對一個16 位的信用卡號碼授權。無線系統(tǒng)可以更快地執(zhí)行這些任務，不需要將電話線路或以太網連接到收銀機。因為它們使用網絡連接，所有大型商場中的收銀機可同時訪問信用卡授權服務器，而不必等待空閑的線路。這種技術非常適合于需要快速支付的場合，如速凍食品柜臺及地鐵售票亭。在這些情況下，收銀機都有IP地址并連接到Internet。

將設備直接連接到Internet 并非總是必須的。ZigBee的支持者正在將數以十計、百計甚至上千個傳感器連接到一個中央節(jié)點或協調器上。如果需要從Internet發(fā)送或接收數據，可以安裝一個網關。盡管ZigBee 網不是常規(guī)的子網，并使用分組路由及其它復雜技術來將數據在同類設備之間路由或路由到中央協調器。傳統(tǒng)的ZigBee 應用為HVAC （供暖/通風/空調）和建筑物中燈光控制，以及工廠或現場的數據采集。一個巧妙的應用是將ZigBee 節(jié)點嵌入到道路中的反射凸點上（圖4）。這些節(jié)點可以實時地監(jiān)測并報告停車場地實時利用情況，允許采集數據，判斷是否有人向汽車停放收費機交錢（參考文獻3）。盡管某些工業(yè)參與者將RFID 方案納入無線M2M 網絡，其它一些人還是認為該項技術為一個特殊的市場。

要更好地理解無線M2M 網絡的特性與缺點，切記模擬設計原則應用在兩個關鍵領域：網絡的實際無線通信與高級系統(tǒng)設計。在這方面，不能迷信所有營銷人員的宣傳，而期望你的系統(tǒng)會達到那種水平。高速CMOS 的發(fā)展使 2 美元的無線電可行，但那是ZigBee類型的 802.15.4 無線電，而不是能使用手機網絡的無線電。而且，如果想要在Internet上使用無線設備，必須購買足夠容納TCP/IP 堆棧的處理器，還要提供一種分配與路由IP 地址的方法。如果設備不能在已有的網狀網絡路徑中路由，必須要進行協調并建立一個新的路徑。這些工作用盡了電池資源。雖然情況不妙，但電池使用不需要在整個網絡內保 持一致，即某些設備需要比其它設備更快地更換電池?；蛘哂脩魰艞壊糠址烹姷碾姵兀驗橄到y(tǒng)維護過程會決定，按最嚴重的設備電池消耗在定期的間隔內更換網狀網絡中所有的電池。

電池（battery）指盛有電解質溶液和金屬電極以產生電流的杯、槽或其他容器或復合容器的部分空間。隨著科技的進步，電池泛指能產生電能的小型裝置。如太陽能電池。電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻

電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時，電池非靜電力（化學力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。在電池反應中，1千克反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內阻越小。

而且ZigBee 網絡設備在全球頻段的2.4GHz上工作，能以240kbps的速率發(fā)送數據，那些使用915MHz 的美國ISM頻段速率為40kbps，使用868MHz的歐洲ISM頻段速率只達到20kbps。因此，盡管你想要將設備移出擁擠的2.4GHz頻段來工作，但較慢的數據速率會以更短的電池壽命使你花費更大。

手機無線網絡會給你“無處不在”的連接，但不能提供“永遠實時連接”。一個可靠的連接也許會使用專有網絡和頻率，這意味著就不能依靠低成本的 ZigBee設計協議。智能的自身修復設備構成了也許不是最昂貴的特殊網絡。干擾、網絡拓撲與設備協議等因素都會對電池壽命有不良影響。

不利之處

擴頻技術并不能帶來無限可用的帶寬。這些技術讓發(fā)射機共享帶寬，但每增加一個發(fā)射機都會降低其它發(fā)射機的數據速率和傳輸范圍。如果所有的發(fā)射機使用相同的協議，則對兩者都會有影響。2.4GHz ISM 頻段提供了干擾如何使所有的設備在此頻段上無法工作的例子（參考文獻4）。未經批準的 ISM 頻段在設計上就包括了干擾源。這些未批準的2.4GHz 頻段的開發(fā)人員進行這種設計，是因為微波爐磁控管在此頻率上工作。這些微波爐對無線干擾會有較小但值得重視的影響。更麻煩的是，傳導熱量和融化的硫燈在此頻段中提供了更多與通信無關的干擾。這些干擾源很受關注，允許使用的2.4GHz 頻段有很多，由于FCC（美國聯邦通信委員會）和其它管理機構允許多協議，使在某些領域的連接并不可靠。這些協議包括藍牙協議采用的FHSS（跳頻擴頻技術）。女影星兼通信技術發(fā)明人Hedy Lamarr 在飾演鋼琴師時發(fā)明了跳頻無線電技術（圖5 和參考文獻 5）。在二戰(zhàn)期間，她認為秘密電臺通信能在戰(zhàn)爭中起重大作用。她覺得接收機可以像發(fā)射機一樣跳到不同的頻率，正如所飾演鋼琴師彈琴鍵一樣她的手指可跳到不同的琴鍵。這種認識實現了電臺間可互相通信，并能防止竊聽。

藍牙協議將83 MHz 寬的2.4GHz ISM 頻段分成79個1MHz 的片段。藍牙設備可在32個頻率間以最大1600 次跳/秒的速率跳躍。兩個并列的藍牙設備互相干擾的機會只有1/79了。當這種情況出現時，高級協議要求系統(tǒng)重新發(fā)送丟失的數據包。如果藍牙設備跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的頻率中，也會干擾這些設備。

藍牙，是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網Internet之間的通信，從而數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。其數據速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。

客戶無法滿足的帶寬需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 標準。這些系統(tǒng)使用DSSS 技術，其中無線電使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 頻段。PRBS（偽隨機二進制序列）相位在該頻段中調制頻率。與FHSS不同，DSSS 繼續(xù)轉變而不是在離散的頻率上跳躍。 手機實施DSSS 允許多個發(fā)射機在相同的頻段工作。可惜，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代碼提供了不充足的代碼增益以允許CDMA（碼分多址），盡管高級協議實施了CSMA（載波偵聽多路訪問）。發(fā)射機檢測其它發(fā)射機等待的時間，直到信道寂靜后，才能開始傳輸。802.11b的帶寬分別只允許三個到四個設備在那些受FCC 和歐洲標準約束的國家中同時運行。如果有最大數量的設備在工作，就會出現對藍牙、WirelessUSB、無繩電話和ZigBee 的干擾。

藍牙，對于手機乃至整個 IT業(yè)而言已經不僅僅是一項簡 單的技術，而是一種概念。當藍牙聯盟信誓旦旦地對未來前景作著美好的憧憬時，整個業(yè)界都為之震動。拋開傳統(tǒng)連線的束縛，徹底地享受無拘無束的樂趣，藍牙給予我們的承諾足以讓人精神振奮。 藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。其程序寫在一個9 x 9 mm的微芯片中。

無線USB 可以是在3GHz及更高頻率上的寬帶無線電，但Cypress Semiconductor 還開發(fā)了2.4GHz Wireles sUSB 標準。像藍牙一樣，這種標準將2.4GHz 頻段分成了79個1MHz 寬的頻段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 來調制信號。連接并不會跳躍 79 個頻段，而只在一個頻段上工作。WirelessUSB 的開發(fā)人員將其目標定為代替線纜上，它具有較低數據速率的HID（人機接口設備）。他們一般將2.4GHz 頻段分成10 到20 個信道。電話很少有頻率捷變，但允許用戶選擇一個工作信道，以避免噪聲。

SM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術上叫做"偽隨機碼"，就是"假"的隨機碼）不斷地從一個信道"跳"到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小

圖6 顯示了2.4GHz 頻段中的所有無線電和協議。如果將頻譜當作一個生態(tài)系統(tǒng)，可以將Wi-Fi 無線局域網視為食物鏈頂部的獅子。它們占用了大量的帶寬，在忙時會吞沒該區(qū)域的其它傳輸信號。藍牙設備像昆蟲在其79 個1MHz 的頻段中游 走。它們發(fā)送強大的信號，淹沒了叢林中所有的其它動物。因此，幾個Wi-Fi LAN 生產商建議客戶不要使用無繩電話。未批準的2.4GHz 頻段并不是無人管理的，FCC只確定了其電源等級。DSSS與FHSS調制方案的混合會對兩種設備造成某些問題。

兩種緩和因素為此帶來希望：地區(qū)與某些無線設備不常使用的傳輸。即使能量較低的藍牙發(fā)射機也比20 碼遠的無線LAN功率大。該公司在2005 年并購了ZigBee 的先驅 Chipcon。較低的頻率可提高傳播范圍。Zarlink 提供了不可移植的無線電芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 醫(yī)療植入通信服務）頻段。設備以MAC（介質訪問控制）提供了800kbps 數據速率，其中包括Reed-Solomon編碼FEC（向前糾錯）和CRC （循環(huán)冗余校驗） 錯誤檢測和重新發(fā)送來實現可靠的數據鏈路。

一個創(chuàng)新企業(yè)發(fā)現了構建光控產品的市場比ZigBee支持者所構想的網狀網絡更為簡單。PulseSwitch Systems 的光控開關（Lightning Switch）使用壓電驅動的發(fā)射機將代碼發(fā)送到500W 交流線路控制器，控制器使用fob與遙控車庫門采用的434MHz 頻率。有2.68 億個代碼可供使用，他說，在相同的房間里可以有相同號的發(fā)射機接收機對，但它們彼此間或與其它工作于ISM頻率上的設備間不會互相干擾。

試想有一種應用，到了排放檢測的時候，DMV （機動車管理局）可以用來與你的車輛通信。車輛就會采集并傳回污染性能數據（無須人為干預），實時通過路況條件和驅動周期數等。EDN 責任編輯 Ron Wilson 指出，“可以從先驅者背后的箭頭上認出他們?！盧icochet mobile 無線網絡為沒有成功的早期無線網狀網絡。M2M 的現實既不是可憐的失敗也不是巨大的成功，而是處于兩者之間。當有些人發(fā)明了殺手級應用時，我們都會一拍腦門問道，“ 為什么我沒有想到？”